Wetenschappers simuleren quantum-effect dat mogelijk einde van het universum kan veroorzaken

In de quantumfysica bestaat er een toestand met nog minder energie dan een vacuüm: het zogenaamde true vacuum. Deze toestand is stabiel omdat het de laagst mogelijke energietoestand vertegenwoordigt. Een metastabiel of 'vals' vacuüm, daarentegen, lijkt stabiel maar bevindt zich nog niet in de meest stabiele energietoestand.

Als ons universum zich in zo’n valse vacuümtoestand zou bevinden, waarschuwen onderzoekers voor het risico op een zogenaamd valse vacuümverval. Dit zou een plotselinge, onomkeerbare vernietiging van het hele universum kunnen veroorzaken – een scenario dat door sommige natuurkundigen als mogelijk, maar uiterst onwaarschijnlijk wordt beschouwd.

Een team van Chinese natuurkundigen heeft nu, zoals beschreven in een recent artikel in het tijdschrift Physical Review Letters, een labexperiment uitgevoerd waarbij ze deze valse vacuümverval-toestand simuleerden. Hiermee leggen ze de basis voor verder onderzoek naar de vraag of een dergelijke gebeurtenis daadwerkelijk het einde van alles zou betekenen.

Quantumtunneling als sleutel tot vernietiging

Al sinds de jaren 1970 wordt gespeculeerd dat een vals vacuüm via quantumtunneling zou kunnen vervallen naar een true vacuum. Quantumtunneling is een fenomeen waarbij deeltjes door energiebarrières heen kunnen breken zonder dat ze daarvoor de benodigde energie bezitten. Dit proces zou in theorie een kettingreactie kunnen veroorzaken die het hele universum vernietigt.

Meng Khoon Tey, medeauteur van het onderzoek en natuurkundige aan de Tsinghua-universiteit, legt uit:

"Hoewel we deze theorie niet op universele schaal kunnen testen, maken recent ontwikkelde quantum-simulatoren het mogelijk om deze dramatische tunnelinggebeurtenissen in labexperimenten te bestuderen en te recreëren."

Eerder onderzoek uit 2025 toonde al aan dat een quantumcomputer in staat was om een valse vacuümverval-toestand te simuleren. In het nieuwe experiment gebruikten de onderzoekers een ring van Rydberg-atomen, waarbij de buitenste elektronen zich op het hoogste energieniveau bevinden dat ze kunnen behouden zonder te ontsnappen.

Experiment simuleert valse vacuümverval in realtime

De atomen werden zo gerangschikt dat ze elkaar afstoten, waarbij hun spinrichtingen tegenovergesteld waren. Vervolgens gebruikten de onderzoekers een laser om deze ring te verstoren en zo een valse vacuümtoestand te simuleren.

"Door afwisselende atomen te belichten met selectieve laserstralen creëerden we een aangepast energielandschap met duidelijke 'valse' en 'ware' vacuümtoestanden. Hierdoor konden we het quantumtunnelingproces in realtime observeren," aldus Tey. De resultaten toonden aan dat hoe sterker de symmetrie-brekende laser, hoe sneller de gesimuleerde vacuümtoestand verviel. Dit ondersteunt de bestaande quantumveldtheorie.

Tijdens het experiment ontstond er bovendien een bubbel met een ware vacuümtoestand binnenin, wat de kans vergroot dat het systeem naar een lagere energietoestand overgaat. Volgens Tey vormt dit experiment een belangrijke stap voor toekomstig onderzoek naar deze fundamentele processen.

"Dit is een opstapje voor verdere exploratie van dit onderwerp," aldus Tey.